Choisir la finition et l'épaisseur de la carte de votre PCB

Une fois le processus de fabrication standard de votre carte achevé, le cuivre nu de votre PCB est prêt à recevoir une finition de surface.

Ce placage va permettre de protéger tout cuivre qui ne serait pas recouvert par le vernis d'épargne, qu'il s'agisse d'un pad, d'un via ou de tout autre élément conducteur. La plupart des concepteurs optent alors pour un placage étain-plomb (SnPb), mais d'autres options peuvent s'avérer plus adaptées à votre carte.

Dans cet article, nous allons examiner les différentes matériaux possibles pour le placage de votre PCB ainsi que leurs avantages.

Plusieurs options s'offrent à vous, mais pensez toutefois à vérifier la capacité de votre fabricant à appliquer le placage souhaité, en fonction de vos besoins en matière de fiabilité ou de l'application à laquelle se destine votre carte.

Nous aborderons aussi brièvement l'impact de cette finition sur les pertes.

Types de finition de PCB

Il existe plusieurs finitions possibles pour votre circuit imprimé. J'aborderai ici les placages les plus courants que tout concepteur se doit de connaître et de comprendre. À ma connaissance, tous les fabricants les proposent.

Si votre fabricant n'indique pas explicitement qu'il propose l'une des options mentionnées ci-dessous, vous pouvez toujours le contacter par e-mail afin de vous renseigner sur ses capacités, y compris sur les matériaux de placage qu'il propose.

Étain-plomb (SnPb) et étain chimique

Cette finition de surface est probablement la moins coûteuse. Toutefois, l'utilisation du plomb lui coûte sa conformité à la directive RoHS.

L'étain chimique est une alternative sans plomb, qui peut être utilisée pour des cartes d'entrée de gamme.

Nivellement de la soudure à l'air chaud (HASL) et HASL sans plomb

L'HASL était traditionnellement l'une des finitions de surface les plus courantes, même si elle n'est pas aussi fiable que d'autres matériaux.

Elle est toutefois peu coûteuse et disponible sans plomb, ce qui en fait une option adaptée pour les cartes d'entrée de gamme.

Nickel autocatalytique et or chimique (ENIG)

Étant donné les inconvénients du SnPb et de l'étain chimique, l'ENIG est sans doute la finition de surface la plus plébiscitée aujourd'hui.

Le nickel agit ici comme une barrière entre le cuivre et la fine couche d'or de surface, où les composants seront soudés.

Passivation organique (OSP)

Cette finition de surface organique à base d'eau adhère de manière sélective au cuivre pour fournir une finition de surface très plane.

En tant que matériau organique, elle est sensible à la manipulation et aux polluants, bien que son application soit plus simple que pour les autres matériaux de placage. Elle engendre également une perte très faible à des fréquences élevées.

Argent chimique

Il s'agit de ma finition favorite pour les applications à haute fréquence. Elle offre une interface lisse contre le cuivre nu et engendre donc moins de pertes de conduction que les autres finitions.

Son principal inconvénient est le ternissement sur les cartes nues, qui exige de procéder au soudage et à l'emballage le plus tôt possible après la fabrication.

Dépôt autocatalytique de nickel et dépôt autocatalytique de palladium sous immersion d'or (ENEPIG)

Ce matériau de finition possède une structure de couche cuivre-nickel-palladium-or qui peut être connectée par fil directement au placage.

La dernière couche d'or est aussi fine que pour l'ENIG. Elle est également souple donc, comme pour l'ENIG, des dommages mécaniques excessifs ou des rayures profondes sont susceptibles d'exposer la couche de palladium.

Or dur

Ce matériau de placage est semblable à l'ENIG, mais présente une couche extérieure en or très épaisse, ce qui en fait l'une des finitions de PCB les plus coûteuses.

En raison de sa dureté, la couche en or est aussi susceptible d'être endommagée, mais son épaisseur rend peu probable l'exposition totale de la couche de nickel.

Parmi toutes les options de finition de PCB abordées, l'ENIG est sans doute celle qui offre le meilleur rapport qualité-prix avec la plus large gamme d'applications.

Cette option sera donc privilégiée pour la plupart des systèmes analogiques basse fréquence ou des systèmes numériques qui ne fonctionnent pas toujours à des débits élevés (par exemple, SPI ou I2C), y compris pour des systèmes à haute fiabilité qui doivent être conformes à la norme IPC classe 3. Cette finition convient également aux pads de boîtiers BGA ou QFN denses.

Maintenant que nous connaissons les différentes options possibles, nous pouvons distinguer les finitions les plus adaptées pour d'autres applications : l'argent chimique ou l'OSP pour les systèmes RF, ou encore l'étain chimique pour la majorité des produits à courte durée de vie (classe 1) qui doivent simplement être conformes aux normes sans plomb.

Pour des applications plus spécialisées comme le numérique haut débit et la RF, l'épaisseur revêt alors une importance toute particulière, comme nous allons le voir ci-dessous.

Comment spécifier le matériau et l'épaisseur du placage d'un circuit imprimé ?

Les valeurs standard d'épaisseur du placage se situent autour de 100 micro-pouces. Pour l'argent chimique et l'OSP, celle-ci sera plutôt d'environ 10 micro-pouces.

Pour spécifier le type et l'épaisseur du placage de votre PCB, rien de plus simple : précisez ces informations dans vos notes de fabrication (voir l'exemple ci-dessous).

Si vous produisez un prototype et que le fabricant propose un formulaire de devis standard, vous aurez la possibilité de spécifier le type de placage dans ce dernier. Si le formulaire ne permet pas d'indiquer l'épaisseur, assurez-vous de le faire si vous avez besoin d'une épaisseur spécifique.

Une fois que vous avez spécifié la finition souhaitée, il appartient à votre fabricant de s'assurer que le placage peut être déposé de manière fiable à l'épaisseur requise.

Pourquoi prêter attention à l'épaisseur du placage ? Il y a deux raisons à cela.

Tout d'abord, la norme IPC-2221A requiert une épaisseur minimale de placage pour chacune des classes de produits IPC (voir le tableau 4.3, vous pouvez télécharger une copie de cette norme sur mon site à partir de ce lien).

Si vous souhaitez que votre produit soit conforme à l'une des classes de produits de la norme IPC, vous devez vous assurer que l'épaisseur du placage respecte les exigences associées. Normalement, si vous spécifiez une classe de produits comme habituellement dans vos notes de fabrication, l'épaisseur minimale de placage est implicite. Assurez-vous simplement de ne pas vous contredire, sinon votre fabricant vous enverra un e-mail pour vous demander des précisions sur la question.

L'autre raison concerne l'impact de l'épaisseur du placage sur les pertes.

À basse fréquence, vous ne remarquerez probablement aucun effet sur la fréquence. Vous n'aurez donc pas à vous soucier de l'épaisseur du placage pour des signaux numériques à faible vitesse et des signaux radio inférieurs à 1 GHz.

J'ai conçu des émetteurs sur mesure fonctionnant à 5,8 GHz en Wi-Fi avec un placage ENIG (qui n'est pas le meilleur pour les hautes fréquences). Ils ont submergé le récepteur dans notre configuration de test. La plupart des finitions peuvent donc convenir à ces fréquences si votre circuit est conçu correctement.

Le problème des pertes se pose une fois la gamme des ondes millimétriques atteinte, par exemple, pour des radars à courte portée (24 GHz) et plus. À ces fréquences, la rugosité du cuivre devient un facteur de perte conséquent, en particulier pour les substrats RF à faible perte comme les Rogers.

L'épaisseur du placage déterminera l'importance de la rugosité rencontrée par les signaux lors de leur propagation, laquelle se manifestera par le biais de la résistance à l'effet de peau.

Pour obtenir des exemples, consultez les résultats de John Coonrod dans cet article, en particulier l'ensemble des graphiques illustrant la perte d'insertion. Comme on peut le voir, un placage rugueux plus important est susceptible d'augmenter les pertes. Pour plus de commodité, j'ai reproduit l'un de ces graphiques ci-dessous pour les microrubans.

Lorsque vous avez choisi la finition la plus adaptée à votre conception et que vous êtes prêt à spécifier vos exigences de fabrication, faites confiance aux outils de fabrication faciles à utiliser d'Altium Designer® pour créer votre documentation.

Une fois que votre conception est prête pour une révision approfondie et pour la fabrication, votre équipe peut partager les informations et collaborer en temps réel via la plateforme Altium 365™ . Les équipes de conception peuvent utiliser Altium 365 pour partager des données et des exigences de fabrication via une plateforme cloud sécurisée.

Tout cela n'est qu'un aperçu des possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365.

Commencez sans plus attendre votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365.